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原文传递缸内高压直喷LNG双燃料发动机喷雾及燃烧过程的数值模拟

论文题名：	缸内高压直喷LNG双燃料发动机喷雾及燃烧过程的数值模拟
关键词：	双燃料发动机;船舶柴油机;缸内高压直喷;气穴特征;燃烧特性;液化天然气
摘要：	由于国际海事组织提出的IMO TierⅢ排放标准的实施日期临近，国家对于节能减排的要求也越来越高。因此在考虑燃油经济性的同时降低船用柴油机的排放量，已经是关系未来船舶柴油机的关键问题。柴油引燃缸内高压直喷LNG双燃料发动机不仅能达到优秀的节能减排效果，而且相对于CNG发动机能够减小爆震的可能性，成为现阶段船舶发动机研究领域一个热门的课题。　　在柴油引燃缸内高压直喷LNG双燃料发动机中，作为主燃料的LNG的喷射压力直接影响了LNG的喷油量和缸内混合气的形成情况，从而影响了缸内的雾化燃烧过程、动力性能和排放物的生成。其中，不同的LNG喷射压力将会带来不同的LNG喷嘴内部的气穴流动特征，从而直接影响到后期的雾化燃烧过程和排放物的生成。　　因此，本文应用AVL_Fire软件，以某中速柴油机为改装研究对象，在验证了数值模拟方法可行性的基础上，首先研究了不同的LNG喷射压力对于LNG喷嘴内部气穴流动特性的影响，然后分析了不同的气穴特征对于雾化、燃烧的影响规律，最后研究了不同的LNG喷射压力下柴油LNG双燃料发动机燃烧室内的燃烧特性、动力性能和NOX的排放特性。旨在为后期该类型发动机LNG喷射压力的选择，和为了得到更加有利于均匀雾化燃烧的喷嘴内部气穴流动特征的喷油系统的优化提供参考。通过研究主要得出了以下几个重要的结论：　　针对本文所研究的喷嘴结构，在一定的喷射压力范围内，LNG燃油的喷射压力越大，在喷嘴内的压力梯度场建立的越快，压力梯度场变化剧烈的位置气穴就会在此产生。压力梯度场变化越剧烈，气穴现象会越明显，气穴所占的比例会越大。气穴最先发生在喷孔下部的入口前，然后发生在喷孔上半部的入口处，之后会出现在喷孔下部的出口处。　　在一定的喷射压力范围内，喷射压力的改变，只会影响气穴在喷孔内所占的比例和产生的时间，并不会影响气穴在喷孔内的产生位置和流动特征变化。　　未延伸到喷孔出口的气穴，气穴长度越长，后续喷雾的锥角相对越大。延伸到喷孔出口才破碎的气穴，并不完全有助于燃油的雾化。当喷孔出口处气穴中气相所占比例大约为0.7～0.9时，会形成不完全气穴，其能够极大地增大燃油的喷雾锥角。当喷孔出口处气穴中气相所占的比例大于0.95时，会形成完全气穴，其不但不能增大燃油的喷雾锥角，还会减小射流的直径。气穴的位置和大小的变化会影响喷孔出口处的质量流量的波动，还会减小喷孔出口处气穴的流动面积，但由于流速的增加，喷孔出口处的质量流量仍然随着喷射压力的变大而变大。　　改装的柴油LNG双燃料发动机在本文所述的研究条件下，通过100MPa的LNG喷射压力，能够在满足原柴油机功率的基础上来降低NOX的排放，产生的NOX为0.37g/(kW?h)，而IMO TierⅢ排放标准对于该中速发动机的NOX排放要求最大值为2.31g/(kW?h)。可见，改装的柴油LNG双燃料发动机的排放完全满足IMO TierⅢ排放标准。　　最后，基于以上的气穴特征，分析了气穴对于燃烧的影响。喷嘴内不完全气穴的产生能够使得后期的燃烧更加均匀。而完全气穴的产生容易使得LNG燃油“堆积”，从而影响燃烧的均匀性，出现局部高温，不利于缸内的燃烧环境。因此，研究喷孔内的气穴流动特性，合理利用气穴在喷孔内的流动特征，能够更好的优化其后期在燃烧室内的燃烧特性。
作者：	张玮
专业：	轮机工程
导师：	肖民
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏科技大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文